导读

近日，山东大学梁延杰教授等人与美国南佐治亚大学王笑军教授、中国科学院兰州化学物理研究所王赵锋研究员合作在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》发表题为“Self-powered mechanoluminescent elastomer for solar-blind ultraviolet emission”的研究论文。该研究通过将新设计合成的Sr₃(BO₃)₂:Pr³⁺ (SBO:Pr)紫外发光材料与商用聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合，开发出一种高性能、自供能、自恢复日盲紫外力致发光新材料。在无需高能光预辐照的前提下，该SBO:Pr/PDMS复合弹性体材料在多种机械刺激（拉伸、弯折、摩擦等）下均可产生峰值位于272 nm的宽带日盲紫外力致发光，同时表现出优异的重复性、循环稳定性和自恢复性能。该研究通过系统的实验与理论分析阐明了SBO:Pr/PDMS复合弹性体材料的日盲紫外力致发光机理。基于日盲紫外光的环境光无干扰和高光子能量特性，进一步展示了该弹性体材料在室外光学成像标记和微生物灭活等先进光子学应用中的潜力。山东大学材料科学与工程学院博士研究生吕旭龙为本文第一作者，山东大学材料科学与工程学院梁延杰教授、美国南佐治亚大学物理与天文学系王笑军教授、中国科学院兰州化学物理研究所王赵锋研究员为本文共同通讯作者。

研究介绍

力致发光（mechanoluminescence，ML）是指材料在外界机械刺激作用下产生光发射的现象。自1605年首次被发现以来，这种独特的力-光转换特性就引起了研究者的广泛关注。经过几个世纪的发展，力致发光研究已从最初的破坏性发光观测，逐步扩展到可重复、可恢复的多种材料体系，包括无机化合物和有机聚合物等。与传统的刚性无机荧光粉和稳定性较差的有机聚合物相比，将无机固体发光材料嵌入高分子聚合物基体中形成的无机-有机复合力致发光弹性体展现出显著优势，包括：兼具自供能和自恢复特性，制备工艺简单，具有优异的柔韧性和物理/化学稳定性等。这些特性使其在可穿戴电子、人工皮肤、先进传感和人机交互等前沿领域具有重要应用价值。

在目前已开发的大多数无机-有机复合材料体系中，力致发光由界面摩擦起电效应驱动，发光性能往往在有限循环次数内迅速衰减。近期研究表明：构筑稳健的荧光粉–聚合物界面是实现具有优异循环稳定性和自恢复特性的高性能力致发光弹性体材料的关键。然而，相比于可见和近红外波段无机-有机复合力致发光弹性体材料所取得的系列进展，开发兼具自供能和自恢复特性的高性能日盲紫外（200–280 nm）力致发光新材料仍面临巨大的挑战。

创新性研究

3.1 日盲紫外光致发光和力致发光性能研究

在248 nm紫外光激发下，SBO:Pr荧光粉可产生中心发射波长位于272 nm的宽带日盲紫外发光，该发光源于Pr³⁺的4f5d→4f²能级跃迁（图1a,b）。值得注意的是，单纯的SBO:Pr荧光粉本身不具备日盲紫外力致发光特性，而将其与聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合后，所制得的SBO:Pr/PDMS弹性体材料（图1c）在多种机械刺激（拉伸、弯折、摩擦等）下均能产生峰值位于272 nm的强日盲紫外力致发光（图1e），且该发光信号可被日盲紫外相机清晰捕获（图1d,i，图中红色区域代表人眼不可见的日盲紫外发光）。本研究进一步探讨了Pr³⁺掺杂浓度及SBO:Pr荧光粉添加量对SBO:Pr/PDMS弹性体日盲紫外力致发光性能的影响（图1f,g）。此外，通过系统研究弹性体材料在不同拉伸应变下的发光响应（图1h），发现其日盲紫外力致发光强度随应变增加呈现近似线性的增强趋势。这一规律表明，该材料在应力传感领域同样具有重要的应用价值。

图1. 日盲紫外光致发光和力致发光性能研究。

3.2 日盲紫外力致发光循环稳定性和自恢复性

力致发光弹性体材料的循环稳定性和自恢复能力是评估其在先进显示、成像和传感等实际应用中可行性的关键参数。在本研究中，SBO:Pr/PDMS复合弹性体材料不仅展现出优异的日盲紫外力致发光性能，且具有优异的循环稳定性和快速高效的自恢复特性。在10,000次连续拉伸循环测试中，虽然日盲紫外力致发光强度呈现衰减趋势，但最终信号强度仍比背景信号高出一个数量级，且始终可被日盲紫外相机清晰捕获（图2a-c），证明该材料具有优异的力致发光稳定性。尽管SBO:Pr/PDMS复合弹性体在连续拉伸循环过程中力致发光强度会出现一定程度的衰减，但在机械刺激停止后，体系中的界面相互作用能够产生部分自修复，从而赋予材料优异的自恢复特性。在自然放置24 h后，日盲紫外力致发光强度能够恢复至初始值的90.2%，充分体现了该弹性体材料高效的自恢复特性和循环稳定性（图2d-f）。此外，研究发现，通过调节机械刺激的时间间隔还可以有效调控材料的日盲紫外力致发光性能（图2g），这为其实际应用提供了更大的操作灵活性。同时，在连续摩擦刺激下，该弹性体材料同样展现出稳定的日盲紫外发光特性和优异的循环稳定性（图2h,i）。

图2. 日盲紫外力致发光循环稳定性和自恢复特性。

3.3 日盲紫外力致发光机理研究

在宏观层面上，力致发光表现为一种力—光转换现象；而在微观层面，力致发光现象与机械刺激引发的电子转移过程密切相关。本研究发现，单纯的SBO:Pr荧光粉无力致发光响应，而SBO:Pr/PDMS复合弹性体却表现出强烈的日盲紫外力致发光，这表明荧光粉与聚合物基体间的界面电子转移是产生日盲紫外力致发光的关键。

为验证这一机制，系统比较了SBO:Pr荧光粉与不同聚合物基体（环氧树脂ER、聚氨酯PU、硅胶SG和PDMS）复合后的日盲紫外力致发光行为（图3a）。结果显示，仅SBO:Pr/PDMS和SBO:Pr/SG体系能产生显著且可观测的日盲紫外力致发光，而SBO:Pr粉末及其与ER、PU的复合体系在相同条件下均无力致发光信号。这一现象与材料的摩擦起电特性一致：在与SBO:Pr荧光粉陶瓷片摩擦后，PDMS和SG表面呈现负电势，表明其从荧光粉获得了电子；而ER和PU表面则带正电，意味着电子由基体向荧光粉转移（图3b）。此外，通过润滑剂调控界面相互作用可实现日盲紫外力致发光性能的调节，这也强有力地支持了界面电荷转移在力致发光过程中的关键作用（图3c）。DFT理论计算进一步证实了这种具有方向选择性的电子转移机制，即电子倾向于从荧光粉颗粒向PDMS聚合物基体转移（图3d）。基于上述实验和理论分析，本研究提出了自供能型SBO:Pr/PDMS弹性体材料的日盲紫外力致发光机理模型（图3e），阐明了日盲紫外力致发光现象的微观物理过程。

图3. 自供能日盲紫外力致发光机理研究。

3.4 日盲紫外力致发光弹性体的先进光子学应用展示

基于SBO:Pr/PDMS弹性体的高性能、自供能、自恢复日盲紫外力致发光特性，结合日盲紫外光的环境光无干扰和高光子能量优势，本研究展示了该弹性体材料在自供能光学成像标记和微生物灭活等方面的应用潜力。在光学成像标记方面，将弹性体薄膜附着于遥控鸟模型的机翼上（图4aI），其拍打运动产生的机械刺激可触发强烈的日盲紫外发光。该日盲紫外力致发光信号能够在各种环境光条件下（包括明亮室内照明光和室外太阳光）被有效探测与跟踪，实现无环境光干扰的自供能光学成像标记（图4a）。在杀菌方面，该材料产生的日盲紫外力致发光展现出对大肠杆菌（E. coli）及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的高效灭活能力。值得注意的是，随着拉伸循环次数增加，杀菌效果逐渐增强，在10,000次拉伸循环后绝大部分大肠杆菌被杀灭（图4b），表明该材料在自供能、持续杀菌方面具有重要应用前景。

图4. 日盲紫外力致发光弹性体材料的先进光子学应用展示。

研究展望

综上所述，本研究报道了一种基于SBO:Pr/PDMS的无机-有机复合弹性体材料，该材料可产生兼具自供能和自恢复特性的日盲紫外力致发光，且对多种机械刺激（拉伸、弯折、摩擦等）均具有优异的日盲紫外力致发光响应。同时，该弹性体材料具备出色的重复性与循环稳定性，在经历10,000次快速连续拉伸后，其日盲紫外发射信号仍清晰可辨。进一步地，该复合弹性体还展现出高效的自恢复能力，自然放置24小时后，发光强度可恢复至其初始值的90.2%。通过系统的实验和理论分析，本研究揭示了自供能SBO:Pr/PDMS弹性体的日盲紫外力致发光物理机制源于界面摩擦起电效应。基于日盲紫外光的环境光无干扰和高光子能量特性，本研究进一步展示了该复合弹性体在自供能光学成像标记和微生物灭活等领域的重要应用前景。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02131-2